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16SrRNA基因检测在儿童细菌性脑膜炎早期诊断中的应用

世淑兰 戴熙廷 赵广周 李小娟 李荣杰 麻明彪

世淑兰, 戴熙廷, 赵广周, 李小娟, 李荣杰, 麻明彪. 16SrRNA基因检测在儿童细菌性脑膜炎早期诊断中的应用[J]. 昆明医科大学学报, 2021, 42(5): 120-125. doi: 10.12259/j.issn.2095-610X.S20210522
引用本文: 世淑兰, 戴熙廷, 赵广周, 李小娟, 李荣杰, 麻明彪. 16SrRNA基因检测在儿童细菌性脑膜炎早期诊断中的应用[J]. 昆明医科大学学报, 2021, 42(5): 120-125. doi: 10.12259/j.issn.2095-610X.S20210522
Shu-lan SHI, Xi-ting DAI, Guang-zhou ZHAO, Xiao Juan LI, Rong-jie LI, Ming-biao MA. Application of 16SrRNA Gene Detection in the Early Diagnosis of Bacterial Meningitis in Children[J]. Journal of Kunming Medical University, 2021, 42(5): 120-125. doi: 10.12259/j.issn.2095-610X.S20210522
Citation: Shu-lan SHI, Xi-ting DAI, Guang-zhou ZHAO, Xiao Juan LI, Rong-jie LI, Ming-biao MA. Application of 16SrRNA Gene Detection in the Early Diagnosis of Bacterial Meningitis in Children[J]. Journal of Kunming Medical University, 2021, 42(5): 120-125. doi: 10.12259/j.issn.2095-610X.S20210522

16SrRNA基因检测在儿童细菌性脑膜炎早期诊断中的应用

doi: 10.12259/j.issn.2095-610X.S20210522
基金项目: 昆明市卫生健康委员会卫生科研基金资助项目(2019-06-01-014);昆明市科技计划基金资助项目(2019-S-25318000001171);云南省教育厅科学研究基金资助项目(2020J0229)
详细信息
    作者简介:

    世淑兰(1986~),女,云南昆明人,医学硕士,主治医师,主要从事儿童感染性疾病与血液疾病工作

    通讯作者:

    麻明彪,E-mail:15096187255@163.com

  • 中图分类号: R446.14

Application of 16SrRNA Gene Detection in the Early Diagnosis of Bacterial Meningitis in Children

  • 摘要:   目的  探讨脑脊液(cerebrospinal fluid,CSF)中16SrRNA基因检测在儿童细菌性脑膜炎(BM)早期诊断中的应用价值。  方法  收集40例2019年1月至2020年6月间,在昆明市儿童医院确诊为BM患者的CSF标本进行16SrRNA基因PCR检测,16SrRNA基因PCR检测阳性标本进行基因测序,测序结果通过NCBI BLAST进行序列比对和同源性分析,同时进行CSF细菌培养,将CSF 16SrRNA基因PCR检测结果与CSF培养结果进行比较。  结果  40例患儿CSF中16例16SrRNA基因PCR检测阳性,阳性率40%;7例细菌培养阳性,阳性率17.5%,PCR检测法阳性率高于细菌培养法(χ2 = 4.93,P < 0.05),以CSF培养为“金标准”,PCR检测法的灵敏度为71.4%(5/7),特异度为66.7%(22/33);16SrRNA基因测序结果与CSF培养结果一致,且检测出CSF培养未检出的5种细菌;CSF培养时间为(61.21±12.62)h,PCR检测法所需时间为(7.09±0.45)h,两者之间差异有统计学意义(P < 0.05)。  结论  CSF中16SrRNA基因PCR检测法能提高BM患者CSF中病原菌的检出率,且能降低漏检率,具有特异、快速特点能及时为临床BM早期诊断提供可靠的病原学依据。
  • 细菌性脑膜炎(bacterial meningitis,BM)是儿童中枢神经系统中的严重的感染性疾病之一,好发于5岁以下的儿童。该病具有发病迅速和凶险,致残率及死亡率高等特点[1],而早期、有效的治疗是降低死亡率及致残率的关键[2]。目前临床主要通过脑脊液(cerebrospinal fluid,CSF)白细胞、生化、细菌涂片、培养及外周血白细胞等传统指标进行诊断,但由于儿童BM在感染的早期临床症状不典型,确诊主要靠CSF细菌培养,但此方法需要时间长,阳性率不高,且存在污染菌等问题[3],很难满足临床早期诊断的需求。因此,临床急需寻找一种快速、特异的检测方法,提高病原菌的检出率。16SrRNA基因位于细菌染色体上,是编码rRNA对应的DNA序列,几乎所有细菌的染色体中都具有该基因,其具有较高的特异性和保守性,且不受抗菌药物的干扰等优点[3]。而聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)检测法具有耗时间短、高灵敏度和特异度的特点[4]。本研究对40例确诊为BM患者CSF中的细菌16SrRNA基因PCR法检测与CSF细菌培养方法进行比较,以探讨16SrRNA基因PCR检测法在儿童BM早期诊断中的临床应用价值。

    选择2019年1月至2020年6月间于昆明市儿童医院住院治疗,通过临床症状、影像学检查、CSF生化、CSF细菌涂片及细菌培养等相关检查临床确诊为BM患儿40例。男性17例,女性23例;年龄(1.05±0.78)岁,最小的15 d,最大4岁,小于28 d新生儿13例,大于28 d的患儿27例,所有研究对象于昆明市儿童医院使用抗菌药物前进行腰穿(其中外院已使用抗菌药物29例),抽取CSF 3 mL,1 mL进行CSF细菌培养;1 mL进行CSF常规、生化及细菌涂片,剩余1 mL CSF于-80 ℃保存,集中进行16SrRNA基因PCR检测;同时抽取2 mL外周血进行血培养。所有研究对象均取得监护人知情同意,签署知情同意书后,且得到昆明市儿童医院伦理委员会批准。纳入标准:年龄 < 18岁,符合BM诊断,其诊断标准:参考BM诊断指南[5]及诸福堂第8版[6]。排除标准:(1)确诊为病毒性脑炎或结核性脑膜炎、真菌或寄生虫引起的脑炎患儿;(2)合并肿瘤或免疫功能异常(如:系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎等)及其他脏器功能受损(如;肝脏疾病、心衰、呼衰、肾衰等)的患儿;(3)住院期间未进行腰椎穿刺或临床资料不全者。

    实验阳性参照菌株来源于昆明市儿童医院检验科微生物室保存的菌株包括:大肠埃希氏菌、李斯特杆菌、肺炎链球菌、无乳链球菌、肺炎克雷伯杆菌。EB病毒DNA由昆明市儿童医院检验科PCR室提供。

    1.3.1   主要仪器与试剂

    美国AB 7500荧光定量PCR仪、Bio-Rad PCR仪、Bio-Rad电泳仪和Bio-Rad核酸蛋白成像仪,法国梅里埃公司VITEK-2 Compact全自动微生物分析仪、比浊仪;PCR试剂TB GreenPremix Ex TaqII试剂盒购自中国北京TaKaRa公司;细菌基因组DNA提取试剂盒购自昆明丰科生物有限公司;法国梅里埃革兰阴性细菌鉴定卡GN、法国梅里埃革兰阳性细菌鉴定卡GP等。

    1.3.2   引物设计

    通过GenBank中常见细菌16SrRNA序列,在其保守区选择1对细菌通用引物其序列为F:5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′;R:5′-TACGYTACCTTGTTACGACTT-3′,引物由昆明擎科生物科技有限公司合成。严格按照试剂说明书进行标本处理、扩增及实验结果的判定。质量控制:阴性质控品(EB病毒)扩增后无S型扩增曲线或无ct值显示,阳性控菌株为金黄色葡萄球菌(ATCC25923)扩增后呈S型扩增曲线且ct值≤30。

    1.3.3   CSF细菌基因组DNA的提取

    将收集的CSF 3500 r/min离心富集菌体,弃掉上清后,严格按照试剂说明书进行细菌基因组DNA提取。

    1.3.4   目的基因的PCR扩增及产物鉴定

    PCR扩增反应体系总体积为25 μL,其中TB Green Premix Ex Taq II 12.5 μL,10 μΜ Forward/Reverse Primer各1 μL,细菌DNA模板2 μL,RNase-free water 8.5 μL。反应条件为:95 ℃ 3 min,95 ℃ 30 s,56 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,30 ℃ 10 s,共35个循环。整个过程约1.5 h,扩增结束后,将PCR扩增产物进行1%琼脂糖凝胶电泳,电泳条件:电压110 V,电流240 mA,时间38 min。电泳结束后,使用Bio-Rad蛋白核酸成像仪可视化观察目的基因条带,大小为750 bp。16SrRNA基因扩增产物纯化及测序由昆明擎科生物科技有限公司完成,测序结果使用NCBI BLAST进行序列比对和同源性分析。

    1.3.5   CSF细菌培养结果鉴定

    将CSF培养阳性标本转种于血琼脂平板、康凯及巧克力平板上,于37 ℃,5%CO2培养箱放置18~24 h后观察菌落形态特征,挑取单个菌落,用已校正的比浊仪配置0.5麦氏单位的菌悬液,使用法国梅里埃公司VITEK-2 Compact全自动微生物分析仪及配套细菌鉴定GN或GP卡进行菌株鉴定。

    40例患儿的临床资料包括血培养、CSF培养、CSF细菌涂片、16SrRNA基因PCR检测结果及临床资料,如:个人信息、临床表现、CSF常规生化、腰穿前是否使用抗生素、基础疾病及临床转归等。

    应用SPSS20.0统计软件对数据进行统计学分析,符合正态分布的计量资料用均数±标准差($ \bar x \pm s$)表示,两组符合正态分布的数据用t检验,计数资料以率表示,对CSF培养与16SrRNA基因PCR法检测两种方法的阳性检出率采用χ2检验进行比较,以P < 0.05为差异有统计学意义。

    40例细菌性脑膜炎患儿中,男性17例,女性23例,男:女为1∶1.35;新生儿14例占35%,1岁以内(包括新生儿)30例占75%,临床表现中有75%的患儿出现发热,体温为(38.16±1.18) ℃,临床一般情况详细信息,见表1

    表  1  40例细菌性脑膜炎患儿一般情况分析[n(%)]
    Table  1.  Analysis of general situations of 40 children with bacterial meningitis [n(%)]
    项目基本信息总计
    年龄 新生儿(< 28 d) 14(35.0)
    28 d~1岁 16(40.0)
    1~3岁 6(15.0)
    大于3岁 4(10.0)
    性别 17(42.5)
    23(57.5)
    临床表现 发热 30(75.0)
    抽搐 6(15.0)
    头痛 11(27.5)
    呕吐 8(20.0)
    腹泻 5(12.5)
    病理征 4(10.0)
    脑膜刺激征 7(17.5)
    膝反射 4(10.0)
    脑脊液改变 白细胞数(106/L)
    < 50 4(10.0)
    50~500 13(32.5)
    501~1000 5(12.5)
    > 1000 15(37.5)
    腰穿前是否使用过抗生素 28(70)
    12(30)
    基础疾病 外伤 2(5.0)
    手术后脑积水 5(12.5)
    临床转归 康复或痊愈 29(72.5)
    后遗症 5(12.5)
    死亡/放弃治疗 1(2.5)
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    40例BM患儿CSF16SrRNA基因PCR检测法阳性率高于CSF培养、CSF细菌涂片、血培养,16SrRNA基因PCR检测法阳性率与其他3种方法之间均有统计学差异(P < 0.05),见表2,而血培养、CSF细菌培养及细菌涂片3种方法间阳性率比较均无统计学意义(P > 0.05)。

    表  2  40例细菌性脑膜炎患儿血培养、CSF培养、CSF细菌涂片及CSF16SrRNA基因检测阳性率比较[n(%)]
    Table  2.  Comparison of blood culture,CSF culture,CSF bacterial smear and CSF 16SrRNA gene detection positive rate of 40 children with bacterial meningitis [n(%)]
    方法阳性率χ2P
    血培养 6(15.0)*
    脑脊液培养 7(17.5)*
    脑脊液细菌涂片 4(10.0)* 12.94 0.005
    脑脊液16SrRNA
    基因PCR法 16(40.0)
      与1616SrRNA基因检测法比较,*P < 0.05。
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    对40例BM患者CSF进行16SrRNA基因PCR检测及细菌培养,两种方法检测阳性率分别为40%、17.5%,16SrRNA基因PCR检测阳性率高于细菌培养法,两者差异有统计学意义(P < 0.05),见表3,以CSF培养为“金标准”,PCR检测法的灵敏度为71.4%(5/7),特异度为66.7%,(22/33);检测时间比较,CSF细菌培养所需时间为(61.21±12.62)h,16SrRNA基因PCR检测时间(7.09±0.45)h,两者之间的差异有统计学意义(t = 11.34,P < 0.05)。

    表  3  16SrRNA基因PCR检测结果与细菌培养结果比较(n)
    Table  3.  Comparison between 16SrRNA gene PCR and bacterial culture results (n)
    16SrRNA基因PCR法脑脊液细菌培养法合计χ2P
    阳性阴性
    阳性 5 11 16
    阴性 2 22 24 4.93 0.026
    合计 7 33 40
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    40例CSF临床样本经16SrRNA基因的PCR检测阳性16例,细菌培养阳性的7例CSF样本中5例为16SrRNA基因检测阳性,阴性2例,各阳性标本电泳图见图1。16SrRNA基因扩增产物与Marker对照,片段为750 bp,与目的片段大小一致。

    图  1  16例CSF临床样本16SrRNA基因PCR扩增产物琼脂糖凝胶电泳
    M:DNA Marker;1:阴性对照(EBV);2:阳性对照(金黄色葡萄球菌);3~4:为大肠埃希菌;5:肺炎克雷伯杆菌;6:肺炎链球菌;7:无乳链球菌;3~7为两种方法检测均为阳性;8~18为细菌培养阴性,而16SrRNA基因PCR基因检测阳性标本。
    Figure  1.  Agarose gel electrophoresis of 16SrRNA gene PCR amplification products from clinical samples of 16 cerebrospinal fluid

    40例CSF临床标本通过CSF细菌培养后经形态学鉴定、细菌16SrRNA基因PCR法检测阳性标本基因,阳性标本16SrRNA基因测序结果NCBI BLAST序列比对和同源性分析结果见表4,16SrRNA基因测序结果与CSF细菌培养鉴定结果一致,16SrRNA基因测序检测出CSF培养未检出的细菌有金黄色葡萄球菌、溶血性葡萄球菌、流感嗜血杆菌、表皮葡萄球菌、鞘氨醇单胞菌。

    表  4  各年龄段两种不同方法检测病原菌分布情况(n)
    Table  4.  Two different methods to detect the distribution of pathogens in each age group (n)
    病原菌病原菌检测方法< 28 d28 d~1岁1~3岁≥3岁总计
    脑脊液培养16SrRNA基因PCR法
    大肠埃希氏菌 4 6 3 3 0 0 6
    肺炎克雷伯 1 1 0 0 1 0 1
    肺炎链球菌 1 1 0 0 1 0 1
    无乳链球菌 1 1 1 0 0 0 1
    金黄色葡萄球菌 0 1 0 0 1 0 1
    溶血性葡萄球菌 0 2 0 1 1 0 2
    流感嗜血杆菌 0 2 1 0 1 0 2
    表皮葡萄球菌 0 1 0 0 1 0 1
    鞘氨醇单胞菌 0 1 0 0 0 1 1
    总计 7 16 5 4 6 1 16
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    细菌性脑膜炎是由化脓性细菌引起的脑膜炎症,是儿童中枢神经系统严重的感染性疾病。发热、呕吐、头痛、意识改变、脑膜刺激和CSF改变是该病的主要临床特征。本研究40例患儿中约有75%出现发热,有27.5%患者出现头痛比成人出现头痛的症状低[7],可能是由于大多数患儿为1岁以内的婴幼儿缺乏表达能力有关,有部分患者出现抽搐、呕吐和腹泻等症状,10%的患者出现病理反射,17.5%患者出现脑膜刺激征,由于病毒性脑炎、结核性脑膜炎等其他病原体感染患者均可能出现以上临床表现[8]。从临床表现上很难鉴别中枢神经系统感染的病原类别。本研究中有10%患者初诊时CSF白细胞小于50×106/L,可能由于这些患儿在抽取CSF前使用过抗生素有关。目前BM的诊断仍靠CSF细菌培养,但CSF培养阳性率较低,王海平等[9]对昆明市儿童医院540例新生儿化脓性脑膜炎患儿CSF培养结果分析,CSF培养阳性率仅为3.7%。而不同的病原菌感染预后也不同,许多的文献证实病原学因素是影响BM预后重要的原因之一[10]。因此,早期明确病原体的诊断非常重要。

    16SrRNA基因是编码16SrRNA的DNA序列,存在于细菌染色体基因中,但不存在与病毒及真菌等非原核生物体内[11],16SrRNA基因具有高度的特异性及保守性。有关研究表明,检测16SrRNA基因能为细菌感染性疾病提供可靠的依据[12-13]。本研究发现16SrRNA基因PCR检测法检测CSF中病原菌阳性率高于CSF细菌培养及细菌涂片,与细菌培养及细菌涂片之间阳性率有统计学差异与相关文献报道的一致[13]。此外,16SrRNA基因测序结果与CSF培养阳性结果一致,提示,16SrRNA基因检测能提高BM患者CSF中病原菌的检出率,同时还具有较高的准确性。且未使用过抗生素的血培养、CSF培养及16SrRNA基因PCR检测法的阳性率均高于使用过抗生素的阳性率,但各种方法未使用抗生素与使用抗生素后阳性率比较差异无统计学意义,与有关文献报道一致[14]

    与“金标准”CSF培养相比,CSF培养特异度高于16SrRNA基因PCR检测法,而CSF细菌培养的灵敏度明显低于16SrRNA基因PCR法,这与陈文娟报道的结果一致[13]。16SrRNA基因PCR检测出阳性的标本测序结果与CSF细菌培养阳性一致,提示,16SrRNA基因PCR检测法检测结果可靠,此外,16SrRNA基因PCR检测法检测出CSF培养阴性的5种病原菌。本研究中CSF培养阳性,16SrRNA基因PCR检测为阴性患者均为新生儿,CSF量小于1mL,可能由于新生儿CSF的获取较困难,难以保证标本量,导致CSF中细菌的数量低有关。在CSF细菌培养阴性的33例病例中有11例PCR检测为阳性,可能是CSF培养所用的CSF标本细菌浓度过低,导致CSF细菌培养结果为假阴性;也可能入院前使用过抗生素治疗,抑制了细菌的生长导致CSF细菌培养阴性。由于16SrRNA基因PCR检测法灵敏度较高可能存在假阳性,本研究中的1例CSF培养阴性而16SrRNA基因测序结果为表皮葡萄球菌的患者与临床不相符,可能是抽取CSF时消毒未彻底导致的假阳性,因此,与CSF细菌培养相比16SrRNA基因PCR检测法具有高灵敏度,能检测出CSF细菌培养阴性的细菌,但PCR检测结果需结合临床进行分析。

    从检测所需的时间上看CSF培养所需时间平均在60 h,最长的达到77 h,待细菌培养结果回报时临床可能已错过了最佳的治疗时期,而早期的病原学诊断和及时、有效的对症治疗,对预后致关重要,即使是短时的延误都有可能会增加死亡率及后遗症的发生率[15-16],而16SrRNA基因PCR检测能在8 h内完成检测,远低于CSF培养的时间,可及时为临床提供可靠的病原学依据、准确的进行个体化治疗。

    综上所述,CSF 16SrRNA基因PCR检测方法能提高BM患者CSF病原菌的检出率,且能在CSF培养为阴性的标本中检测出病原菌,具有较高灵敏度、特异度、快速等特点,能及时地为临床BM早期诊断提供可靠的病原学依据。为了保证16SrRNA基因PCR检测结果的准确性,CSF抽取过程中必须无菌操作及皮肤的彻底消毒,以及充足的样本量,检测结果需结合临床进行分析。

  • 图  1  16例CSF临床样本16SrRNA基因PCR扩增产物琼脂糖凝胶电泳

    M:DNA Marker;1:阴性对照(EBV);2:阳性对照(金黄色葡萄球菌);3~4:为大肠埃希菌;5:肺炎克雷伯杆菌;6:肺炎链球菌;7:无乳链球菌;3~7为两种方法检测均为阳性;8~18为细菌培养阴性,而16SrRNA基因PCR基因检测阳性标本。

    Figure  1.  Agarose gel electrophoresis of 16SrRNA gene PCR amplification products from clinical samples of 16 cerebrospinal fluid

    表  1  40例细菌性脑膜炎患儿一般情况分析[n(%)]

    Table  1.   Analysis of general situations of 40 children with bacterial meningitis [n(%)]

    项目基本信息总计
    年龄 新生儿(< 28 d) 14(35.0)
    28 d~1岁 16(40.0)
    1~3岁 6(15.0)
    大于3岁 4(10.0)
    性别 17(42.5)
    23(57.5)
    临床表现 发热 30(75.0)
    抽搐 6(15.0)
    头痛 11(27.5)
    呕吐 8(20.0)
    腹泻 5(12.5)
    病理征 4(10.0)
    脑膜刺激征 7(17.5)
    膝反射 4(10.0)
    脑脊液改变 白细胞数(106/L)
    < 50 4(10.0)
    50~500 13(32.5)
    501~1000 5(12.5)
    > 1000 15(37.5)
    腰穿前是否使用过抗生素 28(70)
    12(30)
    基础疾病 外伤 2(5.0)
    手术后脑积水 5(12.5)
    临床转归 康复或痊愈 29(72.5)
    后遗症 5(12.5)
    死亡/放弃治疗 1(2.5)
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    表  2  40例细菌性脑膜炎患儿血培养、CSF培养、CSF细菌涂片及CSF16SrRNA基因检测阳性率比较[n(%)]

    Table  2.   Comparison of blood culture,CSF culture,CSF bacterial smear and CSF 16SrRNA gene detection positive rate of 40 children with bacterial meningitis [n(%)]

    方法阳性率χ2P
    血培养 6(15.0)*
    脑脊液培养 7(17.5)*
    脑脊液细菌涂片 4(10.0)* 12.94 0.005
    脑脊液16SrRNA
    基因PCR法 16(40.0)
      与1616SrRNA基因检测法比较,*P < 0.05。
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    表  3  16SrRNA基因PCR检测结果与细菌培养结果比较(n)

    Table  3.   Comparison between 16SrRNA gene PCR and bacterial culture results (n)

    16SrRNA基因PCR法脑脊液细菌培养法合计χ2P
    阳性阴性
    阳性 5 11 16
    阴性 2 22 24 4.93 0.026
    合计 7 33 40
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    表  4  各年龄段两种不同方法检测病原菌分布情况(n)

    Table  4.   Two different methods to detect the distribution of pathogens in each age group (n)

    病原菌病原菌检测方法< 28 d28 d~1岁1~3岁≥3岁总计
    脑脊液培养16SrRNA基因PCR法
    大肠埃希氏菌 4 6 3 3 0 0 6
    肺炎克雷伯 1 1 0 0 1 0 1
    肺炎链球菌 1 1 0 0 1 0 1
    无乳链球菌 1 1 1 0 0 0 1
    金黄色葡萄球菌 0 1 0 0 1 0 1
    溶血性葡萄球菌 0 2 0 1 1 0 2
    流感嗜血杆菌 0 2 1 0 1 0 2
    表皮葡萄球菌 0 1 0 0 1 0 1
    鞘氨醇单胞菌 0 1 0 0 0 1 1
    总计 7 16 5 4 6 1 16
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  • [1] A Sharew,J. Bodisen,B. R. Hansen,et al. The cause of death in bacterial meningitis[J]. BMC Infect Dis,2020,20(1):182-191.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-11
  • 网络出版日期:  2021-06-08
  • 刊出日期:  2021-05-20

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